CC BY
1УДК 544.18
Реджепова Б.
Преподаватель, кафедра «Органической химии» Туркменский государственный университет имени Махтумкули
Туркменистан, г. Ашхабад
Акджаев Х.
Студент, факультет «Химии» Туркменский государственный университет имени Махтумкули
Туркменистан, г. Ашхабад
Атаева Дж.
Студент, факультет «Химии» Туркменский государственный университет имени Махтумкули
Туркменистан, г. Ашхабад
Бекмурадова А.
Студент, факультет «Химии» Туркменский государственный университет имени Махтумкули
Туркменистан, г. Ашхабад
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ КВАНТОВОЙ ХИМИИ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Аннотация: В данной статье рассматривается применение методов квантовой химии в области органической химии с целью изучения реакционной способности различных органических соединений. Методы квантовой химии позволяют с высокой точностью предсказывать энергетические характеристики молекул и их реакционную способность,
что играет важную роль в разработке новых материалов, лекарственных средств и других химических веществ.
Ключевые слова: квантовая химия, органическая химия, прогнозирование реакционной способности, структура молекул, энергия связи, методы расчета.
Методы квантовой химии являются важным инструментом для изучения реакционной способности и энергетических характеристик органических соединений. Они позволяют предсказать структуру молекул, их термодинамические и кинетические свойства, а также влияние различных факторов (температура, давление, катализаторы) на протекание химических реакций.
Органическая химия, сложный танец молекул на основе углерода, процветает благодаря пониманию реакционной способности - склонности молекул подвергаться трансформациям. Традиционно химики полагались на интуицию, полученную на основе опыта и трудоемких экспериментальных методов, чтобы предсказать результаты реакций. Однако появление методов квантовой химии произвело революцию в этой области, предложив мощные инструменты для прогнозирования реакционной способности органических соединений с беспрецедентной точностью. Моделируя поведение электронов и ядер на атомном уровне, методы квантовой химии освещают электронный ландшафт молекул, проливая свет на их реакционную способность и направляя разработку эффективных синтетических стратегий.
В основе квантовой химии лежит уравнение Шрёдингера — сложное математическое уравнение, которое управляет поведением электронов в молекуле. Хотя решение этого уравнения даже для простой молекулы может оказаться трудоемким, были разработаны различные вычислительные методы для аппроксимации его решений. Эти методы, такие как теория Хартри-Фока и теория функционала плотности (ТПФ), дают ценную
информацию об электронной структуре молекул. Анализируя распределение электронов и их взаимодействие с ядрами, квантово-химические расчеты могут предсказать ключевые факторы, влияющие на реакционную способность. Сюда входят длины связей, их прочность, наличие реакционноспособных центров внутри молекулы, а также наличие неподеленных пар или пи-связей, которые особенно чувствительны к атаке со стороны других молекул в реакции. Представьте себе, что вы изучаете сложную органическую молекулу с потенциальным применением в разработке лекарств: квантово-химические расчеты могут выявить пространственное распределение электронов и идентифицировать области с высокой плотностью электронов или области с неподеленными парами. Эти богатые электронами области зачастую более восприимчивы к атаке со стороны других молекул, что делает их главными мишенями для химической модификации, что является решающим шагом в разработке новых лекарств.
Методы квантовой химии выходят за рамки простого описания электронной структуры молекулы. Моделируя движение электронов по мере развития реакции, они могут наметить весь путь реакции - серию шагов, которые реакция проходит от реагентов до продуктов. Эта визуализация позволяет химикам точно определить переходное состояние, высокоэнергетическое промежуточное соединение, в котором связи разрываются и формируются. Понимание переходного состояния имеет решающее значение для понимания механизмов реакции и разработки стратегий их оптимизации. Кроме того, расчеты квантовой химии могут предсказать энергию активации - энергетическое препятствие, которое реакция должна преодолеть, чтобы продолжиться. Более низкая энергия активации предполагает более быструю и эффективную реакцию, что позволяет химикам определять многообещающие пути синтеза. Представьте себе, что вы разрабатываете новый путь синтеза молекулы с желаемыми оптическими свойствами для использования в передовых технологиях
отображения — квантово-химические расчеты могут предсказать энергию активации ключевого этапа реакции, указывая, будет ли выбранный путь жизнеспособным или существуют альтернативные стратегии. с более низкой энергией активации может быть более эффективным.
Органический синтез часто стремится достичь региоселективности и стереоселективности. Региоселективность относится к определенному месту, где образуется связь, тогда как стереоселективность относится к пространственному расположению атомов в молекуле продукта. Например, при синтезе новой молекулы лекарства крайне важно контролировать, где функциональная группа, необходимая для активности лекарства, прикрепляется к основной молекуле. Расчеты квантовой химии можно использовать для прогнозирования региоселективности и стереоселективности реакции путем моделирования взаимодействий между реагентами и анализа наиболее благоприятных путей реакции. Эта информация позволяет химикам разрабатывать условия реакции и катализаторы, которые способствуют образованию желаемого продукта с высокой эффективностью и контролем. Представьте себе разработку нового катализатора для сложного органического превращения, целью которого является создание единственного энантиомера хиральной молекулы, что имеет решающее значение для фармацевтических применений. Квантово-химические расчеты можно использовать для моделирования взаимодействия катализатора с реагентами и прогнозирования региоселективности и стереоселективности реакция, определяющая разработку катализатора, который способствует образованию желаемого энантиомера с минимальным образованием нежелательных зеркальных молекул.
Важно признать, что методы квантовой химии имеют ограничения. Точность результатов зависит от выбранного метода расчета и базисного набора, используемого для представления электронной структуры. Различные методы предлагают разную степень точности и вычислительные
затраты. Например, теория Хартри-Фока дает хорошую основу, но может недооценивать определенные взаимодействия. С другой стороны, методы DFT предлагают лучший баланс между точностью и эффективностью вычислений, что делает их популярным выбором для многих приложений органической химии. Кроме того, базисные наборы, которые математически описывают электронные орбитали, влияют на уровень детализации вычислений. Более обширный базисный набор обычно приводит к более точным результатам, но также требует больших вычислительных ресурсов. Текущие исследования направлены на разработку более точных и эффективных вычислительных методов и базисных наборов для дальнейшего повышения предсказательной силы расчетов квантовой химии. Это включает в себя учет эффектов электронной корреляции, которые объясняют сложные взаимодействия между электронами, и дисперсионных сил, которые играют роль во взаимодействиях между молекулами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. П. Дж. Стивенс, Ф. Дж. Девлин, К. Ф. Чабаловски и М. Дж. Фриш, «Ab initio расчет спектров колебательного поглощения и кругового дихроизма с использованием силовых полей функционала плотности», Журнал физической химии 98, вып. 45 (1994): 11623-11627.
2. М. Дж. Фриш и др., «Gaussian 09, Редакция D.01», Gaussian Inc., Уоллингфорд, Коннектикут, 2009 г.
3. Дж. П. Пердью, К. Берк и М. Эрнцерхоф, «Обобщенная градиентная аппроксимация стала проще», Physical Review Letters 77, no. 18 (1996): 3865.
4. Дж. Э. Бараньано, Э. А. Чавес и Р. Дж. Анжеличи. «Новый синтез некоторых кетонов и альдегидов из 1,3-дикарбонильных соединений». Журнал органической химии 46, вып. 24 (1981): 4512-4516.
Rejepova B.
Lecturer, Department of Organic Chemistry Magtymguly Turkmen State University Turkmenistan, Ashgabat
Akjayev H.
Student, Faculty of Chemistry Magtymguly Turkmen State University Turkmenistan, Ashgabat
Atayeva J. Student, Faculty of Chemistry Magtymguly Turkmen State University Turkmenistan, Ashgabat
Bekmuradova A.
Student, Faculty of Chemistry Magtymguly Turkmen State University Turkmenistan, Ashgabat
USING QUANTUM CHEMISTRY METHODS TO PREDICT THE REACTIVITY OF
ORGANIC COMPOUNDS
Abstract: This article discusses the application of quantum chemistry methods in the field of organic chemistry in order to study the reactivity of various organic compounds. Quantum chemistry methods make it possible to predict with high accuracy the energy characteristics of molecules and their reactivity, which plays an important role in the development of new materials, drugs and other chemicals.
Key words: quantum chemistry, organic chemistry, reactivity prediction, molecular structure, binding energy, calculation methods.
